CC BY
99
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012
310
УДК 681.3:004.94:621.314
Л. Г. РОГУЛИНА
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
В работе рассматривается задача автоматизированного схемотехнического проектирования современных выпрямительных устройств с использованием метода структурнопараметрического синтеза. Имитационное моделирование динамических режимов работы при варьировании параметров сети и нагрузки позволяет минимизировать уровни кондуктивных помех со стороны выпрямительного устройства посредством выбора параметров схемы силовой цепи на стадии разработки этого устройства.
Ключевые слова: выпрямительное устройство, кондуктивные помехи, имитационное моделирование, автоматизация проектирования.
Постановка задачи
Современные выпрямительные устройства (ВУ) с импульсным способом регулирования выходного напряжения являются объектами с нелинейными входными характеристиками, что приводит к искажениям синусоидальности потребляемого от сети тока. За счёт конечного внутреннего сопротивления сети искажается форма напряжения питания других потребителей. Природа возникновения и последствия воздействия высших гармонических составляющих тока описаны в работах [1, 2]. Существующие способы решения [1—4] этой проблемы не всегда приводят к положительным результатам. Автоматизация процесса схемотехнического проектирования ВУ с оценкой уровней кондуктивных помех, решение задачи их минимизации посредством учета параметров силовой цепи позволит предотвратить эти явления, что очень важно при выполнении масштабных проектов. Детальное исследование ВУ на уровне принципиальных схем можно провести с помощью специальных программ, таких как OrCAD, P-CAD, Power-PCB, CAM 350, Viewlogik (Analog), BETASoft и т.д. Однако наиболее приемлемым для исследования взаимодействия ВУ с другими устройствами является MATLAB. Пакет Simulink, входящий в состав MAT-LAB, позволяет осуществлять интерактивное моделирование ВУ в статических и динамических режимах, а пакет Optimization Toolbox — синтезировать ВУ
структурно-параметрическим методом с минимальным уровнем помех.
От качества работы источников бесперебойного электропитания (ИБП) в значительной степени зависят успехи огромного числа предприятий и организаций. Нарушения нормируемых показателей качества электроэнергии ведут к снижению производительности и сбоям в работе различного оборудования. Современные ВУ, входящие в состав ИБП, строятся по схеме с бестрансформаторным входом и импульсным способом регулирования выходного напряжения. В соответствие с отечественными и зарубежными стандартами [5, 6] установлены нормы уровней помех, генерируемых в сеть устройствами, входящими в состав ИБП. Для снижения уровней кондуктивных помех предлагается их оценка непосредственно в процессе схемотехнического проектирования ВУ. Объектом исследования является ВУ, схема которого представлена на рис. 1 [7], где промежуточный трансформатор (Тр) и сглаживающий фильтр (СФ2) работают на частоте преобразования инвертора. В качестве сетевого выпрямителя СВ1 для однофазной и трёхфазной сетей используются выпрямители с емкостным характером нагрузки (СФ1), а выходного выпрямителя — одно- или двухполупериод-ные схемы.
Проектируемые ВУ могут быть дополнены корректором коэффициента мощности и фильтрами помех. Для регулирования выходного напряжения ио
Рис. 1. Схема ВУ с бестрансформаторным входом
Рис. 2. Алгоритм автоматизированного проектирования ВУ
Рис. 3. Подсистема модели однотактного конвертора
Рис. 4. Результаты минимизации гармонических составляющих входного тока
используется метод широтно-импульснои модуляции (ШИМ), поэтому cистема управления содержит следящий делитель (с коэффициентом передачи K д • 1), усилитель сигнала ошибки (КУ>>1) и широтно-импульсный модулятор (КШ>>1). Нестабильность выходного напряжения Uо (абсолютная — • ио или относительная — • = • Uо/Uо) определяется через петлевое усиление (KПЕТЛ = Kд.Ky.KШ):
д _ ^^Х / UВХ
1 + K
А 1 л^гттл
В конверторе напряжения используются такие типы однотактных схем: с прямым или обратным включением диода, с разделительными конденсаторами (преобразователь Кука), а из двухтактных — мостовой или полумостовой инверторы, со средней точкой трансформатора и резонансные [7].
Общий алгоритм схемотехнического проектирования ВУ показан на рис. 2. Входными данными являются параметры сети (напряжение — U ВХ и его относительные отклонения — N , N . ), параметры
max' тш'1 * г
нагрузки (выходное напряжение — ио, его неста-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012
312
50 150 250 350 450
Рис. 5. Результаты оптимизации •
амплитуда пульсации выходного , максимальный и минимальный
Io max ' Io min )' ПРеДВаРиТелЬнЫЙ
бильность — напряжения — U токи нагрузки расчет и выбор параметров схемы проводится со гласно методике [8] и включает расчет параметров промежуточного трансформатора Тр, диодов входного СФ1 и выходного СФ2 выпрямителей, транзисторов инвертора, реактивных элементов сглаживающих фильтров с выбором типовых комплектующих из справочной базы данных.
Для исследования различных схем построения ВУ (рис. 1) в среде Simulink создан ряд имитационных моделей с использованием элементов Sim Power Systems в виде библиотеки, включающей отдельные подсистемы (Subsystem). Пример одной из подсистем представлен на рис. 3, где силовая часть однотакт-ного конвертора напряжения содержит: регулирующий элемент, выполненный на базе транзисторного ключа Key 1, выпрямительный и обратный диоды — Diode 1, Diode 2, дроссель сглаживающего фильтра — Inductance 1 и конденсатор Capasity 1. У подсистемы имеется два входных порта (In 1, In 2) для подачи входного напряжения и сигнала управления на транзисторный ключ Key 1. Выходной ток (I0) и напряжение (U0) измеряются с помощь приборов I0 и U0, а затем передаются на выходные порты (Out 1, Out 2).
Оценка уровней кондуктивных помех проводится по результатам имитационного моделирования с использованием пакета Simulink. После завершения процесса расчета исследуемой модели сигнал потребляемого тока вводится в рабочую область MATLAB, где с помощью быстрого преобразования Фурье проводится гармонический анализ. Если требования к пороговым значениям уровней помех не удовлетворены, выполняется корректировка параметров схемы ВУ и процесс моделирования повторяется (рис. 2). Из всех отобранных удовлетворительных вариантов выбирается оптимальное решение с минимальным уровнем помех.
С целью проверки разработанной САПР проведён расчет одномодульного ВУ электропитания автоматической телефонной станции при следующих исходных данных: диапазон изменения входного напряжения переменного тока 85...265 В, выходное напряжение 48В, максимальная выходная мощность 500Вт, частота преобразования 50 кГц. В процессе выполнения структурно-параметрической оптимизации проводилась минимизация содержания гармонических составляющих входного тока IВХ (рис. 4) при варьировании схемных решений силовой части ВУ, а также параметров промежуточного трансформатора и элементов сглаживающих фильтров, являющихся основными источниками обратных помех.
Во всем рабочем диапазоне выходной мощности (Р0 = и0'10) с учетом отклонений входного напряжения (иВХ) осуществлена проверка энергетических показателей. В качестве примера на рис. 5 приведена графическая зависимость коэффициента мощности (•) от мощности в нагрузке.
В результате отобрана оптимальная схема силовой части ВУ, представленная на рис. 6 со следующими параметрами: коэффициент трансформации промежуточного трансформатора Тр равен 2,5; входная индуктивность Ц= 140 мкГн; выходная — Ц=17 мкГн. Представленная схема ВУ с мостовым инвертором одновременно выполняет коррекцию коэффициента мощности, что подтверждается результатами моделирования, которые показали низкое содержание высших гармонических составляющих во входном токе, а показатели выпрямителя удовлетворяют стандартам [5, 6].
Выводы
Как следует из приведенного примера, предложенный алгоритм и САПР на его основе позволяют получить достаточно полные данные по расчету энергетических показателей с оценкой уровней кондук-тивных помех при выборе структуры ВУ. Для оценки уровней помех используются имитационные модели, параметры которых можно варьировать в процессе проектирования. Применение САПР упрощает процедуру расчета и не требует от разработчика дополнительных затрат. Следует также отметить, что предложенное схемное решение ВУ отвечает стандартам [6], а именно коэффициент мощности выше 0,8 и КПД около 85 %. Системный подход с применением имитационного моделирования в нестационарных режимах, позволяет сделать вывод о более высоком уровне САПР вторичных источников электропитания, его несомненной полезности в реальных проектах. Предложенные в работе решения соответствуют существующей в настоящее время тенденции развития САПР сложных устройств, их оптимизации при проектировании и направлены
Рис. б. Оптимальная схема одномодульного ВУ
на повышение электромагнитной совместимости источников с питаемым ими оборудованием.
Библиографический список
1. Климов, В. П. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания [Текст] : научн. издание / В. П. Климов, А Д. Москалев // Практическая силовая электроника. — 2002. - № 5.- С. 24-29.
2. Климов, В. П. Способы подавления гармоник в системах электропитания [Текст] : научное издание / В. П. Климов, А Д. Москалев // Практическая силовая электроника. — 2002. — № 6.- С. 24-31.
3. Климов, В. Структуры силовых цепей трехфазных ИБП [Текст] : научн. издание. Ч. 2 / В. Климов // Электрон. компоненты. - 2008. - № 8. - С. 34, 36-42.
4. Климов, В. Характеристики современных ИБП с двойным преобразованием [Текст] : научн. издание. Ч. 4 / В. Климов // Электрон. компоненты. - 2009. - № 2. - С. 56-62.
5. ГОСТ 26416-85. Агрегаты бесперебойного питания на напряжение до 1 кВ. Общие технические условия [ Текст]. Введ. 01.01.86. - М. : Изд-во стандартов, 1989. - 57 с.
6. ГОСТ Р51317.6.3-99 (СИСПР/МЭК 61000-6-6-96). Совместимость технических средств электромагнитная. По-мехоэмиссия от технических средств, применяемых в жилых, коммерческих и производственных зонах с малым энергопотреблением. Нормы и методы испытаний [Текст]. Введ. 22.12.99. -М. : Изд-во стандартов, 2000. - 23 с.
7. Сажнёв, А. М. Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных систем : учеб. пособие / А. М. Сажнёв, Л. Г. Рогулина. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2011. - 220 с.
8. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры : справочник / О. К. Березин [и др.]. - М. : Три Л, 2000. -400 с.
РОГУЛИНА Лариса Геннадьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры беспроводных информационных систем и сетей.
Адрес для переписки: epus206@sibsutis.ru
Статья поступила в редакцию 10.11.2011 г.
© Л. Г. Рогулина
УДК 621.372.82 А. И. ТЮМЕНЦЕВ
А. Н. ЯКОВЛЕВ И. М. ЯСИНСКИЙ В. А. АРЖАНОВ
Омский государственный технический университет
Омский научно-исследовательский институт приборостроения
ВЫСОКОИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ ПОЛОСОВОЙ !С-ФИЛЬТР______________________________________
Рассмотрена схема полосового 1.С-фильтра с применением Т-образно-мостиковой структуры. Приводятся формулы расчета элементов исходной схемы и ее модификаций, доказательство применяемого эквивалентного преобразования. Показано, что данная схема второго класса по затуханию, содержащая минимальное число индуктивностей, позволяет реализовать амплитудно-частотную характеристику с высокой прямоугольностью, высоким коэффициентом передачи, приемлемыми для практики значениями элементов. Приводятся результаты моделирования фильтра с относительной шириной полосы пропускания 3 %.
Ключевые слова: относительная ширина полосы пропускания, эквивалентные преобразования, трансформация элементов схемы, вносимое затухание, условия реализуемости.
Полосовые /С-фильтры находят достаточно широкое применение в различных устройствах радиоэлектроники. Методы их расчета и проектирования развиты достаточно полно и охватывают большой перечень схемных решений, в том числе лестничные фильтры типа К, типа т, производные фильтры типа т, мостовые, дифференциально-мостовые, Т-образно-мостиковые и т.д. Среди перечисленных последние находят сравнительно меньшее применение на практике, поскольку номинальные значения их элементов получаются неудобными для реализации. В то же время они позволяют получить полюса затухания
на конечных частотах, реализовать цепи неминимальнофазового типа и содержат вдвое меньшее число элементов по сравнению с мостовыми.
В данной статье предлагается вариант построения полосового Т-образно-мостикового фильтра, который содержит минимальное число индуктивных элементов, позволяет получить наиболее технологичные при реализации значения элементов, и достаточно эффективен при синтезе фильтров с относительной полосой пропускания 3* 7 %.
Исходной схемой предлагаемого фильтра является симметричная мостовая схема полосового фильтра
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
